Light-controlled oxygen production and collection for sustainable photodynamic therapy in tumor hypoxia

用于腫瘤缺氧持續光動力治療的光控制氧生產和收集

來源：Biomaterials 269 (2021) 120621

 

1. 摘要核心內容

 

本研究提出一種光控可持續光動力療法（PDT），通過光合微生物（小球藻）產氧和全氟化碳（PFC）富集氧的策略解決腫瘤缺氧導致的PDT耐藥問題。核心發現：

 

雙功能氧管理：

 

小球藻凝膠（C-Gel）在紅光（600–700 nm）照射下持續產氧，逆轉腫瘤缺氧（圖2d,e）；

 

 

PFC納米顆粒（PFC-NPs）作為氧收集器，將氧富集于光敏劑周圍，提升單線態氧（1O?）產量（圖3f）。

 

 

協同療效：

 

在CT26結腸癌模型中，PDT抑瘤率達90%（圖6c），30%實現完全消退（圖6e）；

 

 

小球藻經PDT處理后釋放免疫刺激分子（如β-葡聚糖），增強樹突細胞（DC）活化（圖7）。

 

安全性：治療組小鼠體重穩定，器官無病理損傷（圖6d, 圖8）。

 

 

2. 研究目的

 

克服腫瘤缺氧對PDT療效的限制；

 

開發光控的可持續氧供給系統（小球藻光合作用 + PFC氧富集）；

 

驗證協同策略對PDT療效的增強作用；

 

探索小球藻的免疫調節功能。

 

3. 研究思路

 

材料設計 → 體外驗證 → 體內療效 → 機制拓展：

 

材料構建：

 

C-Gel：海藻酸鈉包裹小球藻形成凝膠（圖2a），保護小球藻活性并提升產氧效率（圖2d,i）；

 

PFC-NPs：全氟三丁胺（PFTBA）負載光敏劑Ce6，形成核殼結構納米顆粒（圖3b-c）。

 

體外機制：

 

缺氧逆轉：C-Gel光照后降低HIF-1α表達（圖4b-c）；

 

 

氧富集效應：PFC-NPs使1O?產量提升10倍（95% O?環境）（圖3f）；

 

免疫激活：PDT處理的小球藻上清液促進DC成熟（CD80/CD86↑）及炎癥因子分泌（IL-12/TNF-α↑）（圖7）。

 

體內驗證：

 

靶向蓄積：PFC-NPs在腫瘤內8小時達峰；

 

光控氧生產：原位C-Gel實現可逆氧生成（光照開啟→產氧，關閉→停止）（圖5b）；

 

 

協同抑瘤："C-Gel + PFC-NPs + 雙光照射"組腫瘤體積抑制90%（圖6c）。

 

4. 關鍵數據及研究意義

（1）小球藻產氧能力（圖2）

 

數據：

 

C-Gel產氧量顯著高于游離小球藻（p<0.05）（圖2d）；

 

不同pH下產氧穩定（圖2f），儲存13天后存活率>90%（圖2h）。

 

意義：凝膠封裝提升小球藻的生物相容性與穩定性，為體內持續供氧奠定基礎。

 

（2）PFC的氧富集效應（圖3）

 

數據：

 

PFC-NPs使溶液氧濃度降低（去氧狀態），激光照射后氧消耗速率翻倍（圖3e）；

 

1O?產量在95% O?環境下提升10倍（圖3f）。

 

意義：PFC通過高氧溶解度（20倍于水）解決PDT局部耗氧過快的瓶頸問題。

 

（3）體內缺氧逆轉與療效（圖5-6）

 

數據：

 

原位C-Gel使腫瘤HIF-1α表達降低50%（圖5e-f）；

 

"C-Gel + PFC-NPs + 雙光"組腫瘤完全消退率30%（圖6c）；

 

TUNEL染色顯示大面積腫瘤細胞凋亡（圖6e）。

 

意義：雙光調控（紅光產氧+660 nm激光觸發PDT）實現時空精準治療。

 

（4）免疫激活（圖7）

 

數據：

 

PDT處理的小球藻上清液使DC活化標志物CD80?CD86?細胞增加2倍（圖7b）；

 

IL-12p70和TNF-α分泌量分別提升6倍和20倍（圖7c-d）。

 

意義：小球藻作為天然免疫佐劑，協同PDT誘導抗腫瘤免疫應答。

 

5. 核心結論

 

氧供給雙機制：小球藻光合作用提供持續氧源，PFC富集氧提升PDT效率；

 

光控精準性：紅光（600–700 nm）調控產氧，660 nm激光觸發PDT，避免過度氧損傷；

 

免疫協同：PDT后小球藻釋放免疫刺激分子，增強DC活化和細胞免疫；

 

臨床潛力：該系統可擴展至放療/免疫治療等氧依賴療法。

 

6. 丹麥Unisense電極的研究意義

 

技術應用與數據：

 

功能：采用Unisense OX-NP針式氧微電極（穿刺傳感器）實時監測：

 

體外產氧動力學：C-Gel光照下氧濃度變化曲線（圖2d,e,i）；

 

體內腫瘤氧分壓：原位監測C-Gel在腫瘤內的產氧能力（圖5b,d）。

 

關鍵發現：

 

C-Gel在腫瘤內產氧速率達500 μM/min（圖5d），為游離小球藻的30倍；

 

光控可逆性：光照開啟時氧分壓驟升，關閉后迅速回落（圖5b）。

 

科學價值：

 

高時空分辨率：

 

微電極（直徑1.6 mm）實現活體組織微區氧分壓動態監測，克服傳統生化檢測的破壞性局限；

 

秒級響應捕捉光合氧生成的"開關效應"，為光控療法提供實時反饋。

 

機制解析關鍵：

 

定量證實C-Gel逆轉腫瘤缺氧的能力（HIF-1α↓50%與氧分壓↑直接關聯）（圖5e-f）；

 

驗證PFC的氧收集效率：PFC-NPs組氧消耗速率是普通NPs的2倍（圖3e）。

 

轉化醫學價值：

 

為PDT劑量優化提供參數：氧分壓>40 mmHg時1O?產量最大化（圖3f）；

 

推動Unisense電極作為活體氧監測金標準，適用于微環境代謝研究。

 

領域貢獻：

 

首次將光合生物氧生成與合成材料氧富集整合，解決PDT核心瓶頸；

 

確立Unisense電極在評估納米藥物氧管理效能中的不可替代性。

 

機制示意圖：

 

紅光照射 → 小球藻光合作用產氧 → PFC富集氧至光敏劑周圍 → Ce6生成1O? → 腫瘤細胞鐵死亡/凋亡  

↓  

 PDT后小球藻釋放免疫因子 → DC活化 → 抗腫瘤免疫應答

 

創新點：

 

雙光調控：同一紅光波段控制氧生成與PDT觸發，簡化臨床操作；

 

免疫增效：小球藻兼具"氧工廠"與"免疫佐劑"雙重角色，突破傳統PDT局限。